趙愷 張睿涵 王一斌

1中國(guó)昆侖工程有限公司

2大慶油田信息技術(shù)公司北京分公司

3中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司

石油化工裝置由于其生產(chǎn)介質(zhì)和流程的特殊性，火災(zāi)、毒害、爆炸等危險(xiǎn)性較大，可能危害到人身和財(cái)產(chǎn)安全，故探測(cè)、報(bào)警、防范、處置事故的控制系統(tǒng)顯得至關(guān)重要。在國(guó)內(nèi)，該控制系統(tǒng)主要由火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)（Fire Alarm System，以下簡(jiǎn)稱FAS）和可燃有毒氣體檢測(cè)系統(tǒng)（Gas Detection System，以下簡(jiǎn)稱GDS）組成，有時(shí)也包括消防控制系統(tǒng)（Fire Fighting System）[1]。這兩個(gè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)大部分工程公司的分工中，前者屬于電信專業(yè)（未單獨(dú)設(shè)置電信專業(yè)的由電氣專業(yè)負(fù)責(zé)），后者屬于自控專業(yè)，兩者一般是獨(dú)立的（偶爾可能設(shè)置GDS到FAS的報(bào)警信號(hào)）[2]。

1 FGS在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀

FGS（Fire and Gas System，火氣系統(tǒng)）將FAS和GDS 二者結(jié)合起來(lái)，統(tǒng)一在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行管理，這在一定程度上提高了安全性。因國(guó)內(nèi)大部分工廠FAS設(shè)置在消防控制室，GDS設(shè)置在中心控制室，發(fā)生緊急情況時(shí)難以快速有效地溝通；若組成FGS 將有助于緊急處理，將危險(xiǎn)消滅在萌芽狀態(tài)，防止事故擴(kuò)大。

但FGS在國(guó)內(nèi)始終未得到廣泛應(yīng)用，這既與上文提到的設(shè)計(jì)習(xí)慣有關(guān)，也與國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)收規(guī)范有關(guān)[3]。以FAS 為例，從火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器開(kāi)始主要考慮是一套面向民用的、經(jīng)濟(jì)的、封閉的、可靠性相對(duì)較低的系統(tǒng)，由單片機(jī)加總線制結(jié)構(gòu)組成，這對(duì)于我國(guó)目前的國(guó)情推廣FAS是有利的。為了保證制造質(zhì)量，國(guó)內(nèi)的FAS廠商和消防監(jiān)管部門(mén)只認(rèn)可這一種產(chǎn)品。但這種產(chǎn)品并不非常適合一些要求更高的工業(yè)場(chǎng)所，而高級(jí)架構(gòu)的火災(zāi)報(bào)警產(chǎn)品既無(wú)人生產(chǎn)，又難以取得CCCF認(rèn)證，更難以通過(guò)消防驗(yàn)收。

在GB 50116—2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中這種過(guò)渡性的體現(xiàn)尤為明顯。在第8章可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)（2013 版新增）中仍將其作為一個(gè)子系統(tǒng)考慮，在條文中也未體現(xiàn)出對(duì)其足夠的重視；在第12 章第2 節(jié)中對(duì)于油罐區(qū)一筆帶過(guò)，其他條文大多是針對(duì)建筑物，對(duì)于構(gòu)筑物為主的工業(yè)場(chǎng)所說(shuō)明較少[4]。即使FAS 系統(tǒng)接納了相對(duì)有所關(guān)聯(lián)的可燃?xì)怏w檢測(cè)，但其也很難參與到工藝專業(yè)的聯(lián)動(dòng)中；另一方面，有毒氣體檢測(cè)無(wú)法從邏輯上并入FAS，因?yàn)槠渑c火災(zāi)并無(wú)關(guān)系。因此，想要在國(guó)內(nèi)推動(dòng)FGS的發(fā)展，需要FAS體系進(jìn)行改革或監(jiān)管部門(mén)具有更高的包容性才行。

2 FGS在海外的應(yīng)用實(shí)例

雖然FGS 在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少，但在海外應(yīng)用較多，在一些國(guó)家甚至必須配置[5]。FGS 從形式上也不盡相同，主要有三種：火災(zāi)報(bào)警與氣體報(bào)警分開(kāi)的FGS；基于火災(zāi)報(bào)警的FGS；基于安全PLC 的FGS。三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)已經(jīng)有過(guò)很多詳細(xì)的論述，不再贅述[6]。本次應(yīng)用實(shí)例為FGS 用于東南亞某島國(guó)大型石化裝置中的罐區(qū)部分。當(dāng)?shù)卣饨ㄖ飪?nèi)使用符合中國(guó)國(guó)標(biāo)的FAS，裝置區(qū)和罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)使用基于安全PLC（可編程控制器）的FGS，下面就該罐區(qū)的FGS設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

2.1 FGS系統(tǒng)架構(gòu)

FGS 系統(tǒng)采用了類似SIS-ESD 系統(tǒng)的控制方案，獨(dú)立設(shè)置，可由SIS（安全儀表系統(tǒng)）供貨商供貨，UPS 電源、控制器、通信均為冗余性架構(gòu)[7]。控制器放置在現(xiàn)場(chǎng)抗爆機(jī)柜室內(nèi)，設(shè)有工程師站，操作員站設(shè)置在全廠中心控制室，可聲光報(bào)警，并在消防控制中心、消防站等部位設(shè)置顯示屏，便于第一時(shí)間了解情況。因?yàn)楣迏^(qū)較大，點(diǎn)數(shù)近3 000 點(diǎn)，拆分為3 套FGS 控制器。在設(shè)計(jì)分工方面，現(xiàn)場(chǎng)氣體探測(cè)器及電纜由自控專業(yè)負(fù)責(zé)；現(xiàn)場(chǎng)與火災(zāi)相關(guān)的報(bào)警及聯(lián)動(dòng)設(shè)備由電信專業(yè)負(fù)責(zé)；系統(tǒng)部分由于可燃有毒氣體檢測(cè)占比較小，總體由電信專業(yè)負(fù)責(zé)，自控專業(yè)配合。

2.2 FGS輸入設(shè)備

該罐區(qū)有儲(chǔ)罐140個(gè)，總罐容積為240×104m3，包含10×104m3外浮頂罐、內(nèi)浮頂罐、球罐等多種罐型，儲(chǔ)存原油、成品油等介質(zhì)?，F(xiàn)場(chǎng)FGS設(shè)備主要參照國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，如GB 50116—2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，GB 50074—2014《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》 等。輸入設(shè)備均采用1對(duì)1硬線DI接入系統(tǒng)，主要輸入設(shè)備及其設(shè)置特點(diǎn)包括：

（1）現(xiàn)場(chǎng)隔爆型手動(dòng)報(bào)警按鈕設(shè)置在罐組檢修路邊，與國(guó)內(nèi)的主要區(qū)別是采用多線型設(shè)備，無(wú)地址，送出常閉干接點(diǎn)。為了節(jié)約點(diǎn)數(shù)和電纜，選用不帶回?zé)舻脑O(shè)備，依靠聲光報(bào)警器實(shí)現(xiàn)類似回?zé)艄δ埽捎?芯電纜；24 V DI檢測(cè)回路要考慮檢測(cè)距離，與距控制器最遠(yuǎn)的設(shè)備約1 km。

（2）球罐區(qū)采用防爆紅外火焰探測(cè)器，監(jiān)視狀態(tài)工作電流不大于15 mA，報(bào)警狀態(tài)工作電流不大于35 mA。從FGS 機(jī)柜內(nèi)取DC 24 V 電力進(jìn)行供電，送出報(bào)警信號(hào)和故障信號(hào)（干接點(diǎn)）至FGS，采用1根電源、1根信號(hào)硬線。

（3）外浮頂罐采用光纖光柵感溫探測(cè)系統(tǒng)，光柵感溫探測(cè)器和連接光纜安裝在浮船二次密封上。每罐設(shè)置1臺(tái)主機(jī)，在機(jī)柜室的機(jī)柜內(nèi)，每臺(tái)主機(jī)向FGS送出數(shù)組報(bào)警信號(hào)和一組公共故障信號(hào)（干接點(diǎn)），采用硬線連接。

（4）可燃、有毒氣體檢測(cè)器自帶聲光，從光色上與聲光報(bào)警器進(jìn)行區(qū)分，連續(xù)探測(cè)并早期發(fā)現(xiàn)可能泄漏和積聚的可燃?xì)怏w或有毒氣體。因?yàn)镕GS架構(gòu)與ESD（緊急停車(chē)系統(tǒng)）類似，可燃、有毒檢測(cè)器按自控專業(yè)常規(guī)設(shè)置即可[8]。

2.3 FGS聯(lián)動(dòng)設(shè)備和系統(tǒng)

聯(lián)動(dòng)的閥門(mén)及機(jī)泵只考慮遠(yuǎn)程開(kāi)啟，現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)關(guān)閉，主要聯(lián)動(dòng)的設(shè)備和系統(tǒng)包括：

（1）防爆聲光報(bào)警器。設(shè)置在罐組檢修路邊，與國(guó)內(nèi)區(qū)別是采用多線型設(shè)備，無(wú)地址，通電報(bào)警。為了節(jié)約點(diǎn)數(shù)和電纜，選用單色型，考慮到聲光報(bào)警器的工作功率在10～30 W之間，綜合電纜長(zhǎng)度為1 km，選用AC 220 V 設(shè)備，采用DO 點(diǎn)串接AC 220 V電源、2芯電纜硬線。

（2）聯(lián)動(dòng)罐組水噴淋系統(tǒng)。水噴淋系統(tǒng)采用雨淋閥組控制，需開(kāi)啟時(shí)開(kāi)啟電磁閥即可，考慮到功率和距離，電磁閥采用AC 220 V 設(shè)備，配置同上。收集雨淋閥組壓力開(kāi)關(guān)的反饋信號(hào)，考慮到工作時(shí)有人在現(xiàn)場(chǎng)，為節(jié)省點(diǎn)數(shù)和電纜，應(yīng)用1套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每組數(shù)據(jù)采集單元滿配可收集32 個(gè)DI 點(diǎn)，基本滿足1 個(gè)罐組使用，4 個(gè)單元成環(huán)后再與FGS通信。

（3）聯(lián)動(dòng)罐組泡沫系統(tǒng)。泡沫系統(tǒng)末端采用雨淋閥組控制，控制和反饋與水噴淋系統(tǒng)相同。泡沫站中的泡沫制備設(shè)備為帶PLC的控制柜，需接入設(shè)備的啟動(dòng)、運(yùn)行、故障、手/自動(dòng)、液位等信號(hào)，還需接入進(jìn)出設(shè)備的干管電動(dòng)閥信號(hào)，分配至各罐組的支管電動(dòng)閥的開(kāi)閥信號(hào)（以上均采用硬線），以及用數(shù)據(jù)采集單元收集各電動(dòng)閥的閥位、故障、就地遠(yuǎn)程信號(hào)，同時(shí)還需要監(jiān)控進(jìn)、出口的壓力信號(hào)。

（4）聯(lián)動(dòng)消防水泵和泡沫消防水泵系統(tǒng)。水噴淋和泡沫系統(tǒng)均由消防加壓泵站供水。國(guó)內(nèi)消防水泵設(shè)計(jì)一般為PLC成套供貨，由PLC負(fù)責(zé)各泵之間的連鎖控制，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置FGS可由FGS直接控制，節(jié)省了1 套PLC。聯(lián)動(dòng)消防水泵采用穩(wěn)高壓系統(tǒng)，穩(wěn)壓泵組自帶控制柜，由FGS監(jiān)視其工作狀態(tài)；電動(dòng)消防水泵由FGS控制其啟動(dòng)并監(jiān)視其工作狀態(tài)，柴油消防水泵自帶控制柜，由FGS控制其啟動(dòng)并監(jiān)視其工作狀態(tài)；另外，還需要監(jiān)控消防水罐的液位與出線干管的壓力。泡沫消防水泵采用干式系統(tǒng)，其余部分與消防水泵類似。

（5）聯(lián)動(dòng)抗爆機(jī)柜室的暖通系統(tǒng)?？贡瑱C(jī)柜室屬于建筑物，其聯(lián)動(dòng)包括室內(nèi)FAS的聯(lián)動(dòng)以及涉及到室外可燃?xì)怏w報(bào)警的FGS聯(lián)動(dòng)。FGS部分包括進(jìn)風(fēng)口附近可燃?xì)怏w報(bào)警器的報(bào)警信號(hào)，聯(lián)動(dòng)關(guān)閉新風(fēng)機(jī)組、新風(fēng)空調(diào)、電動(dòng)氣密閥、排風(fēng)機(jī)、進(jìn)風(fēng)機(jī)等，并監(jiān)視各設(shè)備的反饋信號(hào)，以保證可燃?xì)怏w不侵入抗爆建筑物內(nèi)。

（6）FGS 還可根據(jù)需要與DCS、ESD、FAS、電視監(jiān)視系統(tǒng)、擴(kuò)音對(duì)講系統(tǒng)等聯(lián)系[9]。

2.4 FGS組態(tài)

因儲(chǔ)罐較多，操作員站數(shù)量較少，F(xiàn)GS組態(tài)采用三層結(jié)構(gòu)形式：第一層為正常待機(jī)時(shí)，畫(huà)面為對(duì)應(yīng)罐區(qū)的總圖；第二層為發(fā)生事故時(shí)，畫(huà)面對(duì)應(yīng)罐組的小總圖；第三層為對(duì)應(yīng)罐的PID圖。聯(lián)動(dòng)采用手動(dòng)和自動(dòng)相結(jié)合的方式：對(duì)于聲光報(bào)警、水噴淋等不造成經(jīng)濟(jì)損失的聯(lián)動(dòng)，以自動(dòng)為主，手動(dòng)為輔；對(duì)于泡沫噴淋等易因誤報(bào)造成經(jīng)濟(jì)損失的聯(lián)動(dòng)，以人工確認(rèn)后手動(dòng)控制為主，自動(dòng)為輔。

因單罐聯(lián)動(dòng)時(shí)涉及到的設(shè)備較多，包括消防水泵、水噴淋雨淋閥、泡沫消防水泵、泡沫設(shè)備、泡沫電動(dòng)閥、泡沫雨淋閥，以及相鄰罐的水噴淋設(shè)備等，為避免誤操作，在第二層畫(huà)面上整合為少數(shù)幾個(gè)按鈕，如選擇對(duì)某罐開(kāi)啟泡沫設(shè)備，則一鍵開(kāi)啟流程上所有需開(kāi)啟的設(shè)備，以滿足及時(shí)啟動(dòng)的需要；在第三層畫(huà)面上也可以對(duì)各單體設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)控制和監(jiān)視。報(bào)警設(shè)備的邏輯可以參照現(xiàn)行火警規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于消防泵組則按工藝專業(yè)提出的時(shí)間間隔和壓力反饋進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

FGS在應(yīng)對(duì)石化裝置中不可預(yù)見(jiàn)的火災(zāi)和氣體泄漏時(shí)能體現(xiàn)出強(qiáng)大的可靠性，相對(duì)于FAS模塊式輸入和輸出信號(hào)更加包容，終端更加簡(jiǎn)單，多線式的架構(gòu)進(jìn)一步降低了其故障率，在操作側(cè)可以一步到位、統(tǒng)控全局。此外，針對(duì)FGS已經(jīng)有一套較為完整的評(píng)價(jià)體系供HAZOP分析[10]。不過(guò)，F(xiàn)GS也存在投資較高、部分設(shè)備選型特殊的缺點(diǎn)，相信隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，F(xiàn)GS會(huì)在工業(yè)場(chǎng)所得到更加廣泛的應(yīng)用，并與國(guó)際逐漸接軌，成為先進(jìn)、完整的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中不可或缺的一部分。